以計(jì)算思維為核心的校本信息科技課程架構(gòu)

盧文來(lái) 陳勇

自從美國(guó)卡內(nèi)基·梅隆大學(xué)周以真教授2006年提出計(jì)算思維概念以來(lái)，計(jì)算思維便進(jìn)入了大眾視野。在對(duì)計(jì)算思維的文獻(xiàn)進(jìn)行梳理總結(jié)后，筆者將本文中的計(jì)算思維概念界定于兩個(gè)層面：理論性概括層面和可操作性框架層面。理論性概括層面指的是周以真教授對(duì)計(jì)算思維的定義，即計(jì)算思維是運(yùn)用計(jì)算機(jī)科學(xué)的基礎(chǔ)概念進(jìn)行問(wèn)題求解、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及人類(lèi)行為理解等涵蓋計(jì)算機(jī)科學(xué)之廣度的一系列思維活動(dòng)?？刹僮骺蚣軐用嬷饕哉嫉鲁?、聶蘭順和徐曉飛三位學(xué)者為代表，他們提出了以“計(jì)算之樹(shù)”為架構(gòu)的計(jì)算思維的具體內(nèi)容，包括0、1思維（信息編碼）、程序和算法、抽象和自動(dòng)化、分解與建模、測(cè)試和調(diào)試等。在此基礎(chǔ)上，筆者通過(guò)分析初中信息科技課程內(nèi)容，挖掘了若干以培養(yǎng)學(xué)生計(jì)算思維能力為目標(biāo)的教學(xué)內(nèi)容，形成了一定的教學(xué)策略，并開(kāi)展了實(shí)踐研究，初步形成了以“計(jì)算思維培養(yǎng)”為目標(biāo)的校本信息科技課程體系的架構(gòu)。

校本信息科技課程目標(biāo)

在確定課程目標(biāo)的時(shí)候，筆者主要基于以下三點(diǎn)思考：第一是目標(biāo)群體，課程目標(biāo)應(yīng)該符合初中學(xué)生的特征。每個(gè)學(xué)段的學(xué)生都可以提升自身的計(jì)算思維能力，其認(rèn)知水平和心理特點(diǎn)都有差異，找到不同年齡階段孩子思維能力發(fā)展的方法有著積極的意義。第二是學(xué)科價(jià)值，課程目標(biāo)應(yīng)該盡可能探求信息科技課程的學(xué)科本質(zhì)。學(xué)生不僅僅是適應(yīng)信息技術(shù)，還要理解信息技術(shù)；不僅僅是學(xué)會(huì)外在操作，還需要抽象、分解、控制任務(wù)的實(shí)施；不僅僅是掌握解決問(wèn)題的步驟，還需要發(fā)展交互性思維。第三是課程體系，課程目標(biāo)應(yīng)該是從課程整體角度思考，計(jì)算思維能力的培養(yǎng)不應(yīng)僅僅納入基礎(chǔ)型課程，還應(yīng)該在拓展和探究型課程中開(kāi)展實(shí)踐。

校本信息科技課程內(nèi)容

圍繞課程目標(biāo)，筆者首先選取了計(jì)算思維的六個(gè)核心要素，即0、1編碼，系統(tǒng)，糾錯(cuò)，算法，抽象和分解。然后，梳理整個(gè)初中階段的信息科技課程內(nèi)容，針對(duì)每個(gè)內(nèi)容確定了計(jì)算思維核心要素的落腳點(diǎn)（如下頁(yè)表所示）。其中基礎(chǔ)性課程是針對(duì)全體學(xué)生的，拓展性課程是針對(duì)在這方面感興趣的學(xué)生的。

基礎(chǔ)課程中的信息編碼和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是信息科技課程中的重要內(nèi)容。信息編碼包括編碼及其特點(diǎn)、常見(jiàn)的文字和圖像編碼、編碼和解碼的基本過(guò)程、常見(jiàn)的編碼和解碼的方法、編碼給社會(huì)帶來(lái)的影響等。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)最重要的就是馮·諾依曼計(jì)算機(jī)，從計(jì)算思維角度來(lái)看，它最核心的思維是程序如何被存儲(chǔ)、如何被CPU（控制器和運(yùn)算器）執(zhí)行。之后的個(gè)人計(jì)算環(huán)境、并行分布環(huán)境和云計(jì)算環(huán)境都是在此基礎(chǔ)上逐步發(fā)展起來(lái)的。在Excel數(shù)據(jù)建模單元中，計(jì)算思維的落實(shí)主要體現(xiàn)在“抽象和自動(dòng)化”“對(duì)象和屬性”“數(shù)據(jù)類(lèi)型與運(yùn)算符”等方面。其中函數(shù)特別能夠體現(xiàn)計(jì)算機(jī)如何“自動(dòng)”地完成任務(wù)，體現(xiàn)了自動(dòng)化的過(guò)程。

拓展課程中的Pascal編程、App Inventor手機(jī)應(yīng)用編程、Learn To Mod游戲編程三個(gè)項(xiàng)目均為編程。Pascal是傳統(tǒng)的基于代碼的編程，而后兩者是基于模塊的編程；后兩者的不同之處在于，App Inventor創(chuàng)造的是手機(jī)應(yīng)用，Learn To Mod創(chuàng)造的是Mine Craft游戲中的一個(gè)個(gè)Mod；前者可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，而后者僅為游戲（Mine Craft）領(lǐng)域。

校本信息科技課程實(shí)施

1.加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)研修，統(tǒng)一對(duì)計(jì)算思維的核心認(rèn)識(shí)

筆者所在的教研團(tuán)隊(duì)共有7位教師，在基于計(jì)算思維培養(yǎng)為目標(biāo)的校本課程建設(shè)的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)成員一直在通過(guò)各種渠道圍繞“計(jì)算思維”開(kāi)展研究和實(shí)踐，包括對(duì)計(jì)算思維的相關(guān)文獻(xiàn)資料進(jìn)行搜集整理，開(kāi)展教研活動(dòng)分享、交流、深入討論；選擇課例開(kāi)展教學(xué)設(shè)計(jì)，聽(tīng)課并反饋修正后再行實(shí)施；參加關(guān)于計(jì)算思維的教學(xué)展示；開(kāi)展信息技術(shù)研討會(huì)，邀請(qǐng)市區(qū)教研員、專(zhuān)家、顧問(wèn)等就信息科技課程的學(xué)科價(jià)值進(jìn)行探討，并給予指導(dǎo)。在此過(guò)程中，教師們逐步統(tǒng)一了對(duì)計(jì)算思維的核心認(rèn)識(shí)，保障課程的順利實(shí)施。

2.優(yōu)化教學(xué)策略，將計(jì)算思維核心要素扎根課堂

教學(xué)目標(biāo)不同，教學(xué)設(shè)計(jì)思路也會(huì)不同。以演示文稿設(shè)計(jì)中的“動(dòng)畫(huà)效果”教學(xué)為例，如果教學(xué)目標(biāo)設(shè)定的是學(xué)會(huì)自定義動(dòng)畫(huà)，包括進(jìn)入、退出與強(qiáng)調(diào)的具體操作，那這個(gè)目標(biāo)側(cè)重的就是技能；如果教學(xué)目標(biāo)設(shè)定的是通過(guò)設(shè)置多個(gè)動(dòng)畫(huà)，體驗(yàn)創(chuàng)建動(dòng)畫(huà)的一般方法，那這個(gè)目標(biāo)側(cè)重的就是關(guān)于技能的方法；如果教學(xué)目標(biāo)設(shè)定的是通過(guò)分析一個(gè)包含復(fù)雜動(dòng)畫(huà)的PPT頁(yè)面，理解動(dòng)畫(huà)之間的時(shí)序關(guān)系，那這個(gè)目標(biāo)側(cè)重的就是計(jì)算思維的方法。因此，以“計(jì)算思維培養(yǎng)”為目標(biāo)的課堂教學(xué)，需要緊扣計(jì)算思維的核心要素進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別需要關(guān)注的是“問(wèn)題分解”“算法”和“糾錯(cuò)”。

例如，用App Inventor設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易加法測(cè)試。假設(shè)每次測(cè)試共有10道題，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)出題，產(chǎn)生兩個(gè)加數(shù)，用戶(hù)需要做的就是，按0～9這10個(gè)按鈕輸入答案，完成后點(diǎn)擊OK按鈕，系統(tǒng)就會(huì)判斷正誤，并反饋給用戶(hù)，隨后開(kāi)始下一題的測(cè)試。如果滿(mǎn)10題，則結(jié)束本輪測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果保存。整個(gè)過(guò)程中由計(jì)時(shí)器記錄時(shí)間。

這么一個(gè)看似簡(jiǎn)單的、隨處可見(jiàn)的加法測(cè)試，對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)卻是一個(gè)復(fù)雜的大問(wèn)題，教師需要引導(dǎo)學(xué)生把這個(gè)大問(wèn)題分解為一個(gè)一個(gè)的小問(wèn)題。此處，需要分解為至少7個(gè)小問(wèn)題，依次是：①在兩個(gè)操作數(shù)區(qū)域產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)；②點(diǎn)擊數(shù)字按鈕，相應(yīng)數(shù)字會(huì)出現(xiàn)在答案區(qū)域；③點(diǎn)擊OK按鈕，判斷對(duì)錯(cuò)，并在相應(yīng)位置顯示出來(lái)；④點(diǎn)擊Del按鈕，去掉已輸入答案的最后一個(gè)數(shù)字；⑤使用計(jì)時(shí)器來(lái)計(jì)時(shí)并顯示；⑥完成10題，提示任務(wù)完成；⑦將測(cè)試結(jié)果存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。接著，教師需要引導(dǎo)學(xué)生思考每個(gè)小問(wèn)題如何解決，關(guān)注以下三點(diǎn)，即發(fā)生什么事情、發(fā)生在什么對(duì)象上，在什么情況下發(fā)生的。這個(gè)過(guò)程就是“制定問(wèn)題”的過(guò)程，也是“抽象”的過(guò)程，使該問(wèn)題能夠用計(jì)算機(jī)和其他工具來(lái)解決。這其中會(huì)涉及簡(jiǎn)單的算法，如第六個(gè)小問(wèn)題，其核心就是一個(gè)邏輯判斷。在完成一系列小問(wèn)題的過(guò)程中，還需要不斷地進(jìn)行測(cè)試與調(diào)試，去除代碼冗余，進(jìn)行排錯(cuò)等。當(dāng)學(xué)生把所有小問(wèn)題都解決了，大問(wèn)題也就自然完成了。

當(dāng)然，強(qiáng)調(diào)計(jì)算思維，并非不要落實(shí)知識(shí)技能或者過(guò)程方法。以解決問(wèn)題為例（可以是知識(shí)技能的小問(wèn)題，也可以是項(xiàng)目實(shí)施等大問(wèn)題），首先需要的是技術(shù)，其次是一般方法，如果教學(xué)設(shè)計(jì)定位于此，可能也就夠了。但是，即便學(xué)生學(xué)會(huì)了如何解決問(wèn)題，并不一定意味著他能理解問(wèn)題為什么如此解決，也不一定能遷移到其他問(wèn)題解決中。所以，以“基于問(wèn)題解決的教學(xué)設(shè)計(jì)”為例，以往的教學(xué)可能關(guān)注的是計(jì)算機(jī)如何被使用，即如何選擇恰當(dāng)?shù)能浖?，如何通過(guò)一系列軟件來(lái)構(gòu)建一個(gè)問(wèn)題的解決方案。而“基于計(jì)算思維的教學(xué)設(shè)計(jì)”則是在原來(lái)的基礎(chǔ)上，從計(jì)算思維培養(yǎng)的角度進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓學(xué)生理解工具處理信息的思想，理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如何工作，理解一個(gè)真實(shí)世界的問(wèn)題應(yīng)該如何被抽象、被分解為計(jì)算機(jī)可以解決的問(wèn)題。

3.借助企業(yè)資源，推進(jìn)計(jì)算思維的縱向?qū)嵺`

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，一些計(jì)算機(jī)或互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的知名企業(yè)開(kāi)始注重對(duì)教育領(lǐng)域的投入和支持，以此吸引更多的優(yōu)秀人才在未來(lái)支撐計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，Google便是其中之一，我校自2003年開(kāi)始與Google公司合作，連續(xù)三年舉辦了“我是Android應(yīng)用開(kāi)發(fā)師”的夏令營(yíng)活動(dòng)。夏令營(yíng)以App Inventor為載體。在整個(gè)過(guò)程中，學(xué)校教師起著主導(dǎo)作用，從夏令營(yíng)的策劃、課程的設(shè)計(jì)和實(shí)施到營(yíng)員的招募篩選，教師全體參與、全程參與，開(kāi)展系統(tǒng)的課程架構(gòu)、開(kāi)發(fā)課程、實(shí)施推進(jìn)、授課；而Google更多的是提供其優(yōu)質(zhì)的資源，如App Inventor的第一手資料，國(guó)外教育的先進(jìn)理念，MIT團(tuán)隊(duì)的融入，Google工程師的講座，等等。雙方借助合作拓展學(xué)生視野，吸引了一批對(duì)計(jì)算機(jī)科學(xué)感興趣的有能力的學(xué)生。

與Google的合作不同，學(xué)校與另一家教育機(jī)構(gòu)開(kāi)展的“LTM項(xiàng)目”則采用了“教育機(jī)構(gòu)主講、學(xué)校教師協(xié)助、雙方共同開(kāi)發(fā)課程”的方式。LTM項(xiàng)目全稱(chēng)為L(zhǎng)earn To Mod，是基于Mine Craft的游戲編程。此項(xiàng)目中，教育機(jī)構(gòu)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)、授課、在線輔導(dǎo)、跟蹤評(píng)價(jià)。學(xué)校教師負(fù)責(zé)學(xué)生的報(bào)名、選拔和組織；對(duì)課程設(shè)計(jì)提出修改建議；全程進(jìn)行課堂跟蹤，給授課教師提出建議；關(guān)注學(xué)生行為和表現(xiàn)，并和家長(zhǎng)溝通。另外，此項(xiàng)目涉及三個(gè)課程平臺(tái)：第一個(gè)是Learn To Mod徽章課程平臺(tái)，這是一個(gè)基于模塊化的編程平臺(tái)（國(guó)外教育機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)，與學(xué)校合作的教育機(jī)構(gòu)引進(jìn)），該平臺(tái)由多個(gè)小教程組成，學(xué)生根據(jù)教程在線搭建模塊，循序漸進(jìn)，每完成一個(gè)教程就會(huì)獲得一個(gè)徽章。這個(gè)課程主要是跟著范例進(jìn)行操作，課程有個(gè)進(jìn)度條，學(xué)生每成功搭建一個(gè)模塊，進(jìn)度就會(huì)推進(jìn)一步，直至100%。完成一個(gè)Mod，就可以在模擬器中測(cè)試。第二個(gè)平臺(tái)是Moodle課程平臺(tái)，由學(xué)校提供，教師上課會(huì)將學(xué)生在徽章課程平臺(tái)學(xué)習(xí)中的核心概念在上課時(shí)做系統(tǒng)梳理和點(diǎn)撥，利用Moodle課程平臺(tái)布置作業(yè)，非常扎實(shí)、規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)刈寣W(xué)生理解編程是什么，以及鼓勵(lì)他們把一些有創(chuàng)意的想法呈現(xiàn)出來(lái)。第三個(gè)是Mine Craft游戲平臺(tái)，這是個(gè)游戲平臺(tái)，學(xué)生最終會(huì)將自己編寫(xiě)的代碼（以Mod形式呈現(xiàn)）裝載到這個(gè)平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)更多創(chuàng)造。

與企業(yè)的合作有助于雙方實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。對(duì)學(xué)校來(lái)說(shuō)，可以拓展渠道，提供多樣化的課程，以吸引不同類(lèi)型學(xué)生的興趣，使計(jì)算思維的培養(yǎng)往縱深發(fā)展。

結(jié)語(yǔ)

筆者從計(jì)算思維的本質(zhì)和信息科技課程價(jià)值角度出發(fā)，對(duì)如何將計(jì)算思維的培養(yǎng)納入學(xué)校信息科技課程做了一些探索和實(shí)踐。這些實(shí)踐不僅從頂層關(guān)注計(jì)算思維的學(xué)術(shù)視野，還嘗試結(jié)合實(shí)際對(duì)計(jì)算思維的核心內(nèi)涵進(jìn)行梳理和提煉，給出自己的解釋?zhuān)徊粌H是理論思考，還嘗試將理論層層分解并最終落實(shí)于課堂教學(xué)；不僅在基礎(chǔ)課程中實(shí)施，使全體學(xué)生有所收獲，還嘗試在拓展課程中深化，使特長(zhǎng)學(xué)生能夠得到長(zhǎng)足發(fā)展；不僅在傳統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中實(shí)施，還嘗試在多樣化的軟件載體和應(yīng)用平臺(tái)中開(kāi)展實(shí)踐；不僅學(xué)校教師自己探索開(kāi)發(fā)課程，還嘗試與企業(yè)合作開(kāi)發(fā)課程。在整個(gè)課程架構(gòu)的過(guò)程中，筆者及所在團(tuán)隊(duì)對(duì)計(jì)算思維的理解從模糊到清晰，對(duì)課程資源的建設(shè)從借用到自主開(kāi)發(fā)，在課程實(shí)施方面從初步探索到略有心得和收獲。

當(dāng)然，計(jì)算思維的培養(yǎng)目標(biāo)只是筆者所在學(xué)校信息科技課程目標(biāo)之一，本文所述僅僅是圍繞計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)所進(jìn)行的課程初步架構(gòu)，也是局部架構(gòu)。關(guān)于計(jì)算思維的探索剛剛起步，如何真正地、全方位地將計(jì)算思維培養(yǎng)目標(biāo)融入中小學(xué)信息技術(shù)教學(xué)，如何開(kāi)展以計(jì)算思維為目標(biāo)的課堂教學(xué)和評(píng)價(jià)，如何有序地實(shí)現(xiàn)小學(xué)、初中和高中的有效銜接，還需要更多教師的探索和實(shí)踐。